高落差灯泡贯流水轮机全流道三维数值模拟

摘要：基于CFD( 计算流体力学) 软件对灯泡贯流式水轮机进行了全流道三维定常数值模拟, 获得了流场的速度、压力分布等变化规律。结果表明, CFD 分析能较准确地预测灯泡贯流式水轮机内部流场的结构, 数值模拟结果对水轮机选型和优化设计均具有重要的指导意义。
关键词：灯泡贯流水轮机; 高落差；三维数值模拟
Abstract: based on the CFD (computational fluid dynamics) software bulb turbine turbine to the full port three-dimensional unsteady numerical simulation, won the flow field of the speed and pressure distribution and change rule. The results show that CFD analysis can be predicted bulb turbine turbine internal flow field of the structure, and numerical simulation results of hydraulic turbine type design and optimization are of critical significance.
Keywords: light bulb through water turbine; High divide; Three-dimensional numerical simulation

0 前言
目前，CFD技术已广泛用于水轮机的设计和研究中。作为分析、计算及预测流场的工具，采用CFD数值模拟技术可以研究并揭示灯泡贯流式水轮机内部流动现象，预测流动性能，并为灯泡贯流式水轮机的优化设计提供强有力的辅助。进行水轮机的水力设计，必须研究水流在水轮机中的实际流动分布，才能确定合理的流道几何参数和进行叶片绘形。为了更透彻地了解灯泡贯流水轮机内部真实流体运动的机理及其内部细微结构，并为灯泡贯流水轮机的优化设计提供依据，对灯泡贯流水轮机进行了全流道流动解析。

1、内部流动界面设定

灯泡贯流水轮机模型如图1所示。该模型由以下几部分组成：外壳 、灯泡体、两个固定导叶、16片可调节的活动导叶、五叶片可调节涡轮及尾水管。
图1灯泡贯流水轮机
作者简介：杨栗晶（1974－），女，江苏人，讲师，主要从事水利水电工程建筑教学及流体机械设计与仿真研究。
带滑移界面的灯泡贯流水轮机活动导叶/涡轮叶片的水力布置图见图2所示。为了研究静止的活动导叶与旋转的涡轮间界面内的流动情况，选择了两个滑移界面：一个是位于活动导叶出口与涡轮进口间的进口滑移界面（ISI），另一个是位于涡轮出口与尾水管进口间的出口滑移界面（OSI）。

图 2带滑移界面的活动导叶/涡轮叶片水力布置图

2、基本技术参数

本文研究的灯泡贯流水轮机的技术参数如表1所示。
表1技术参数
涡轮水头
HR/ m流量
Q/(m3•s-1)额定出力
N/MW
涡轮叶片数
20253454

3、网格模型

由于灯泡贯流式水轮机内部的流道（尤其活动导叶到涡轮叶片之间）较复杂，在对单涡轮灯泡水轮机进行整体流动解析时，为使计算尽快收敛，同时保证解析结果足够精确，在建模时采用非结构化多面体网格（龟背网格），见图3所示。非结构网格较之结构化网格，舍去了网格节点间的结构性限制，节点和单元的分布是任意的，具有优越的几何灵活性，适应于离散任意复杂的几何外形；非结构网格随机的数据结构非常利于进行网格自适应。非结构网格生成技术多采用自动生成方法，在网格生成过程中，各种方法都采用一定准则进行优化判定，因而能生成高质量的网格，且很容易控制网格的大小和节点的疏密。一旦边界确定，则在计算域内可自动生成网格，无需分块或人为干预。在两个流动界面ISI和OSI处均分别采用多结构网格显示滑移面。

4、边界条件

在设定边界条件中时，由于水轮机内部流动为不可压缩流动，进口处给定质量流量Q，即采用速度进口边界条件，通过给定计算工况点的流量和水轮机外壳进口面积，可以求出计算控制体进口的水流速度，计算时采用直角坐标系。出口条件按出口位置的流体物理量沿流线方向变化梯度为零来处理，采用压力出口，即给定流动出口边界上的静压及相应的尾水管出口处的吸出高水头Hs。所有的固体边壁视为粘性流体的无滑移条件，即:时均流速和脉动速度的各个分量均为零，耗散率为有限值。根据无滑移条件，检测定固壁上流体质点的速度和固壁的速度相等，固体壁面的流动速度为零，对固壁附近的流动采用了标准壁面函数的处理方法。同时采用亚松弛迭代方法，以利于非线性问题迭代的收敛。高雷诺数k-方程模型是粘涡模型中具有代表性的一种，它有较好的适应强湍流输运的能力，是通用性较广的湍流模型。本研究数值解析均采用高雷诺数k-方程模型。
固定导叶活动导叶涡轮尾水管总数
网格数(103)2344386391831,698
图3 灯泡贯流水轮机网格模型

5、数值模拟结果分析

数值模拟结果采用无量纲形式表达：无量纲周向速度vu {= Vu/ (gHR) 1/2}；无量纲相对速度 w{＝W/(gHR)1/2}；无量纲压能ep {= (p/– pTout/)/(gHR)1/2}；无量纲动能ek{= (V2/2)/(gHR)1/2}；无量纲欧拉能量eE {= EE/(gHR)1/2 =RVu/(gHR)1/2}；无量纲总能et (= ek+ep)。其中：Vu为周向速度，W为相对速度，p为压能，pTout为出口压能，V为绝对速度，EE为欧拉能量，为转速，R为半径。

5.1固定导叶的流动与能量分析

固定导叶的速度矢量图及总能分布如图4所示，水流的流动方向与流道方向非常一致，流道面积从固定导叶进口到固定导叶出口逐渐减小，流速逐渐增大。从固定导叶总能分布图可以看出，固定导叶总能损失非常小，体现了很好的整流效果。
a）速度矢量图b)总能分布图
图4固定导叶的速度矢量及总能分布图

5.2活动导叶的流动分析

活动导叶速度分布如图5所示，负压面速度大于正压面速度，水流通过活动导叶后，水流方向发生改变，产生了涡轮叶片进口所需的环量。

a）负压面b)正压面c）活动导叶出口绝对速度图
图5活动导叶速度分布图

5.3涡轮的流动与能量分析

涡轮压力面及负压面上无量纲欧拉能量分布、动能分布、压能分布及总能分布分别见图6至图9。
由图6可见，压力面和负压面的无量纲欧拉能量eE从进水边到出水边分布较均匀，基本符合设计要求。图7中的动能分布由进水边至出水边呈逐渐减小趋势，且负压面动能大于压力面，也是符合实际情况的。图8中，压能分布图显示无论压力面和负压面压力分布都比较均匀，压力面压力较负压面大，形成一定的压力差，使得涡轮旋转。图9中压力面和负压面总能分布较为均匀，且压力面的值大于负压面。总体上，数值流动解析的结果较为真实地反映了实际流动情况，也基本符合设计要求。
a)压力面b)负压面
图6 涡轮叶片欧拉能量eE分布
a)压力面b)负压面
图7涡轮叶片动能ek分布
a)压力面b)负压面
图8 涡轮叶片压能ep分布
a)压力面b)负压面
图9 涡轮叶片总能et分布

5.4尾水管的流动与能量分析

尾水管流动与能量分布图如图10所示。涡轮出口环量较小，未产生大的旋回，尾水管流态平稳。尾水管出口动能小于入口动能，出口压能大于入口压能，体现了尾水管减速增压，对动能进行回收的特点，同时也证实了解析的结果是正确、可靠的。

a)尾水管速度矢量图b) 尾水管动能分布图

a)尾水管压能分布图b) 尾水管总能分布图
图10 尾水管流动与能量分布图
6、结论
本文将高落差灯泡贯流水轮机的全流道作为整体，对其内部流动进行了三维定常流动解析，并分析了各流动参数的分布情况，结果基本符合灯泡贯流水轮机的实际流动情况，表明上述方法对水轮机内部流动进行数值模拟是准确可行的。全流道三维数值模拟可

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为水轮机的优化设计与运行提供较好的理论及技术依据，可以缩短设计周期，降低设计成本，具有较好的运用前景。
参考文献
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